小流域山洪灾害动态预警与风险评估方法研究

摘要

中国主要受东亚季风气候的影响，由降雨引发的山洪灾害频发。山洪灾害常造成人员伤亡，房屋田地被毁，交通通信中断，对国民经济和人民生命财产构成极大损害和威胁。虽然全国山洪灾害防治工作已取得显著的防洪减灾效益，但由于中国山丘区小流域地形地质条件复杂，防洪标准普遍较低，监测站点密度仍然偏小，监测资料短缺，预报预警方案不健全，一但发生局地强降雨，历时短、汇流快、流速大，水文模型难以有效的实际应用，不能精准开展河道洪水的分析与演算，导致临界雨量难以准确界定，实现动态预警难度大，极易发生山洪灾害。当前，小流域山洪灾害的动态预警和风险评估已经成为防洪减灾工作中的重点和难点，且还没有形成比较成熟的理论体系。为此，本文以山丘区裴河小流域为研究对象，基于小流域的特征值，采用多种产汇流机制不同、复杂程度各异的水文模型模拟暴雨致洪过程，探求动态临界雨量变化规律，建立山丘区小流域洪水动态预警和风险评估体系。本文的主要研究内容及成果如下： （1）基于RS和GIS提取山丘区小流域河网及其特征值，根据集水面积阈值与河网密度关系曲线变化规律：随着集水面积阈值的增大，河网密度变化逐渐变缓，当阈值达到某一临界值时，所有的坡地网链(非实际河网)消失，河网密度变化趋于平缓，即可确定较合适的阈值，提出了一种基于分段拟合法计算最佳集水面积阈值的方法，自动搜索出600、1300、3300作为裴河小流域河网提取的关键阈值点，经过与实际河网进行对比分析，最终选择3300为最佳集水面积阈值，实现了阈值的自动化提取，解决了分布式水文模型径流模拟过程中汇流网络带来的不确定性问题。针对DEM数据精度以及工程措施影响，采用AGREE算法对DEM地表高程进行修正，保证了水流流向的正确性。 （2）针对山丘区小流域降雨和洪水资料缺乏的问题，将集合降雨预报应用于小流域洪水预报中，并检验集合降雨预报数据的可利用性及精度。根据预报降雨信息误差统计的特征值以及不同预报降雨量级情况下实测降雨量的时空分布，研究发现：在未来6h和12h降雨预报情形下，预报为大雨及暴雨时发生中雨及以上降雨的概率较好，可用于小流域山洪预警。集合降雨预报信息最小时段为6h，根据4种概化雨型，提出了一种逐时段预报降雨量分配方法，实现逐小时降雨的滚动预报，解决了小流域面积小，汇流速度快，预警时间短的问题。 （3）提出了基于雨强变化的动态预警方法。首先，基于API模型、新安江模型、HEC-HMS模型（组合一）和HEC-HMS模型（组合二）提出了改进的多目标遗传算法（INSGA-II）自动率定模型参数，模拟不同时间尺度的历史洪水，分析模拟洪水产汇流的准确率和确定性系数。对裴河小流域16场洪水进行产流和汇流模拟，结果发现：HEC-HMS模型（组合二）模拟产流结果最好，HEC-HMS模型（组合一）在时段长1h和时段长3h的汇流结果中模拟效果最好，且确定性系数最大，HEC-HMS模型（组合一）较适合山丘区小流域，且模型预警准确率较高，可靠性好。其次，建立动态临界雨量与前期影响雨量(或前期土壤含水量、初损、CN)、累积降雨量和降雨强度的关系：P临~mPa+nP+kPII，相关系数均达0.98以上。研究发现：当前期影响雨量及累积降雨量一定的情况下，影响临界雨量的关键因素是起报点雨强的变化，随着雨强的增加临界雨量减小，只要累积雨量过程线达到临界雨量线，则发布预警信息，从而实现了基于雨强变化的动态预警。 （4）通过MIKE21FM模型模拟5、10、20、50、100年一遇暴雨情景下洪水淹没范围、水深、流速、洪水到达时间等风险要素，并利用2016年7月1日裴河小流域实测的特大暴雨进行检验，分别在自由行洪和禁止下泄情景下模拟洪水演进过程，结果表明模拟结果与实际情况接近。基于RS和GIS提出了人口密度的空间化方法，采用逐步回归分析实现人口暴露性参数选择及估计，将洪水淹没范围与人口密度进行空间叠加，分析不同危险级别下人口分布状况。基于GIS的空间分析方法对受灾房屋数量及家庭财产损失进行评估，构建了一种动态分布式山洪灾害风险评估方法。

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